Ingo Burgert, responsabile del gruppo di ricerca Wood Materials Science presso il PF di Zurigo & Empa, non solo apprezza il legno come materiale poliedrico ed estetico, ma ha anche un grande rispetto per le prestazioni fatte registrare dagli alberi, che riescono a raggiungere ragguardevoli altezze di oltre 100 metri e un’età di migliaia di anni.
Fig. 1 – Legno d’abete rosso prima (sinistra) e dopo (destra) la sua idrofobizzazione. Foto: ETH/EMPA
Legno: un materiale geniale fibrorinforzato
Fig. 2 – Le particelle di ossido di ferro incorporate in una parete in legno la rendono magnetica. Foto: Doris Hölling (WSL)
Lo scienziato considera il legno un materiale geniale fibrorinforzato in modo naturale, costituito da cellulosa, emicellulosa e lignina. Grazie alle sue lunghe e ordinate catene di molecole di glucosio, la cellulosa garantisce la resistenza alla trazione, mentre i depositi di lignina rendono la parete cellulare composita resistente alla compressione. Burgert intende migliorare il materiale legno affinché quest’ultimo si ritiri e si gonfi di meno, in modo che possa essere utilizzato in modo più affidabile e più diversificato. “L’albero ha ottimizzato il legno perché risponda ai propri requisiti, non a quelli dell’edilizia”, afferma il ricercatore. Un albero sano mantiene il suo legno sempre al di sopra di un determinato livello di umidità, al di sotto del quale potrebbe iniziare a ritirarsi. Processi naturali quali i rigonfiamenti e i ritiri non interessano quindi gli alberi viventi.
Quando l’uomo abbatte l’albero
Non appena il legno inizia a essiccarsi, le pareti cellulari perdono acqua causando la contrazione e quindi il ritiro del legno. “Questi problemi iniziano solo quando l’uomo abbatte l’albero e il legno secco inizia a compensare la perdita di umidità prelevandola dall’ambiente”, spiega Burgert. Quando durante questo processo si verificano scambi di umidità, questi causano i fenomeni tanto temuti nell’edilizia: tensioni, deformazioni e crepe.
Imitare i processi naturali
L’obiettivo della ricerca è quello di ridurre i fenomeni di rigonfiamento e ritiro del legno a fronte delle variazioni dell’umidità ambientale, aumentandone quindi la stabilità dimensionale. A tal fine è necessario rendere idrofobe le pareti del legno, cioè fare in modo che esse assorbano meno acqua. Per perseguire questo scopo, Burgert ricorre – tra le altre cose – ai meccanismi che il legno impiega già per natura.
Molti legnami formano infatti, all’interno del tronco, il durame, un tessuto nel quale l’albero immagazzina attivamente sostanze idrofobe all’interno delle pareti delle cellule già morte. “Gli alberi hanno quindi la possibilità di modificare le proprietà del legno ancora per lungo tempo dopo la sua formazione. Se vogliamo modificare chimicamente il legno in un secondo momento, ci troviamo di fronte a sfide molto simili e quindi possiamo imparare molto dai meccanismi di formazione del durame”, prosegue lo scienziato, che auspica imitare questi processi, tendando di immagazzinare le sostanze che modificano le proprietà del legno in base ai requisiti dell’industria edile.
Cellule idrorepellenti
Il rigonfiamento del legno secco è dovuto al fatto che le molecole di acqua si depositano nelle pareti cellulari. Bisogna quindi modificare opportunamente queste ultime per renderle idrofobe: è questo il concetto fondamentale. “Facciamo in modo che diverse sostanze chimiche idrofobe si leghino alle pareti cellulari. La loro struttura porosa si riempie così di sostanze idrorepellenti che ostacolano l’accesso alle molecole d’acqua”. Dal momento che in questo modo le pareti cellulari assorbono complessivamente meno acqua, la stabilità dimensionale del legno aumenta, anche a fronte delle variazioni dell’umidità ambientale. In tal modo si sviluppano quindi meno tensioni e non si aprono cretti negli elementi costruttivi.
Carbonato di calcio come protezione antincendio
Fig. 3 – Quando il carbonato di calcio viene incorporato nel legno, ad es. la lamina della porta in compensato di faggio, si riduce l’infiammabilità. Questo aspetto è molto importante nel settore degli arredi interni. Anche l’immagazzinamento di iodio disinfettante nel legno è un’ottima soluzione, poiché una maniglia realizzata con questo materiale ha un effetto germicida. Foto: Doris Hölling (WSL)
Con lo sviluppo di un ulteriore metodo di modifica, il gruppo di ricerca è riuscito a immagazzinare il carbonato di calcio nella struttura profonda del legno. Il metodo funziona secondo il modello della mineralizzazione delle nostre ossa, nella quale accade lo stesso processo: all’interno di una struttura organica viene immagazzinato un minerale per rendere l’osso più stabile.
Se si riesce a immagazzinare il carbonato di calcio nel legno, se ne riduce l’infiammabilità. In questo modo, il ricercatore vuole superare uno dei maggiori ostacoli per un impiego ancora più massiccio del legno nell’edilizia. I test di laboratorio dimostrano che il tasso di rilascio di calore del legno così mineralizzato è di appena un terzo rispetto a quello del legno non trattato.
Burgert sottolinea inoltre un ulteriore importante aspetto positivo. “Il nostro metodo è nettamente più ‘verde’ rispetto ai trattamenti antincendio tradizionali, perché ci limitiamo a combinare solo legno e carbonato di calcio”. La relativa domanda di brevetto è già stata presentata e il gruppo di ricerca lavora al perfezionamento e alla commercializzazione del metodo, in collaborazione con alcuni partner industriali che operano nel settore dei compensati e del legno massiccio.
Un ulteriore progetto di ricerca prevede un trattamento superficiale trasparente che rende il legno resistente ai raggi UV e idrorepellente. Anche in questo caso è già stata presentata una domanda di brevetto.
Applicazione con compensati
Il gruppo di ricerca ha iniziato modificando piccoli cubetti di legno e fogli di compensato di abete rosso e faggio. In questa fase era importante accertare che le modifiche funzionassero bene anche con il legno di latifoglie. In considerazione del fatto che in futuro i boschi dell’Europa centrale avranno grandi riserve di latifoglie, la ricerca sul relativo legno dovrà essere ulteriormente approfondita.
Nel frattempo, il gruppo di ricerca di Burgert ha già fatto un passo avanti. Ora è possibile trattare compensati di dimensioni più grandi e, perlomeno per alcuni metodi di modifica, anche il legno massiccio. Nel settore dei compensati, lo scienziato prevede le migliori possibilità d’impiego soprattutto nel settore degli allestimenti interni di automobili, navi o aerei.
Un lavandino in legno
Fig. 4 - Un lavandino in legno nell’unità abitativa “Vision Wood” durante un test pratico. Foto: Doris Hölling (WSL)
“Il concetto fondamentale del nostro lavoro è quello di mantenere sempre la struttura gerarchica del legno, compensando però i punti deboli o generando nuove funzioni”.
In collaborazione con un partner industriale, Burgert ha realizzato un lavandino in legno, il cui trattamento superficiale ha reso il materiale talmente idrorepellente, al punto di dimostrare la sua efficacia anche in questa applicazione davvero estrema per il legno, aprendo così la strada per altri oggetti quotidiani.
Oltre al lavandino, vengono collaudati anche una lamina in compensato che, grazie all’inclusione di carbonato di calcio (fig. 3), diventa molto più resistente agli incendi rispetto alle porte in legno non trattato o una maniglia con effetto germicida ottenuto mediante l’inclusione di iodio disinfettante (uno sviluppo di Francis Schwarze e Mark Schubert dell’Empa).
Fig. 5 – NEST – “Laboratorio sperimentale” per lo sviluppo nel settore dell’edilizia sul campus dei due istituti di ricerca Empa ed Eawag a Dübendorf. Tra le altre cose, qui vengono collaudati nuovi materiali nelle condizioni di tutti i giorni. Il modulo abitativo “Vision Wood” è realizzato per la maggior parte in legno di faggio. Foto: Doris Hölling (WSL)
Fig. 6 - Legno messo in opera all’esterno: la facciata, realizzata con uno speciale sistema di verniciatura che contiene cellulosa microfibrillata, quale materiale di rinforzo e portante per sostanze attive, è resistente ai raggi UV e agli agenti atmosferici. Si formano meno crepe e inoltre la facciata è protetta contro i microorganismi. I mobili della terrazza sono realizzati con un innovativo materiale composito a base di bambù. Foto: Doris Hölling (WSL)
NEST – “Laboratorio sperimentale” per sviluppi nel settore della tecnologia delle costruzioni
NEST, la costruzione modulare sperimentale dell’Empa e dell’Eawag a Dübendorf è un edificio infrastrutturale di ricerca che permette lo svolgimento di esperimenti di ingegneria civile e che ha al tempo stesso funzione abitativa. L’edificio è stato concepito come insieme verticale di parcelle edificabili, sulle quali possono essere costruiti moduli di ricerca differenti e indipendenti. Le facciate riguardano diversi moduli di ricerca. La stretta collaborazione tra ricerca e tecnologia garantisce la maturazione di un know-how dotato di fondamento scientifico e contemporaneamente commerciabile.
Uno di questi moduli si chiama “Vision Wood”. Il materiale da costruzione più utilizzato in questo modulo è soprattutto il faggio, un legno che a causa della sua alta sensibilità all’umidità finora non è stato ancora praticamente usato nell’edilizia, ma che è presente in abbondanza nei boschi svizzeri. Eppure, grazie alla sua alta resistenza, sarebbe il materiale ideale per costruzioni portanti. Nel laboratorio NEST vengono attualmente collaudate costruzioni in compensato di faggio incollato, meno incline a deformarsi.
Insieme ai loro team, Ingo Burgert (Empa e ETH di Zurigo “Materiali a base di legno”) e Tanja Zimmermann (Empa “Ricerca del legno applicata”) stanno dato nuova vita ad un materiale come il LEGNO, alfine di renderlo un materiale da costruzione ancora più facile da usare e più interessante. Nel modulo “Vision Wood” intendono testare come i materiali si comportano in condizioni reali. Ad es. vengono testati elementi di legno di faggio che, con l’aiuto di processi speciali sono stati resi idrorepellenti e quindi lasciano imperlare l’acqua. Addirittura le guarnizioni in silicone del modulo contengono una componente del legno: cellulosa. La ricerca sul legno si occupa inoltre di superfici antimicrobiche in legno, di composito a base di bambù, di applicazioni edili del faggio (anche in esterni) e di molto altro ancora.
Gli ulteriori moduli sono denominati Urban Mining and Recycling e Solar Fitness & Wellness. Anche l’acqua e l’energia sono temi centrali sui quali vengono svolte ricerche.
Traduzione: Fulvio Giudici, Sant’Antonino